單片機電路：挑選STC89C52微控制器當作核心控制芯片，此芯片在和標準8051架構(gòu)保持完全兼容的狀況下，有著成本優(yōu)勢以及不錯的性能表現(xiàn)，該器件有抗干擾特性，其超低功耗設(shè)計把電磁輻射干擾有效降低，該芯片支持在系統(tǒng)編程技術(shù)，憑借這一特性開發(fā)者不用借助專用編程器就能直接在印刷電路板上完成程序燒錄，還為后續(xù)的程序調(diào)試與參數(shù)優(yōu)化帶來很大便利，并且整個過程不用對硬件電路做任何改動。TCRT5000循跡模塊：運用TCRT5000型紅外反射式循跡傳感器，此器件是依據(jù)脈沖調(diào)制原理來開展工作的，借助發(fā)射調(diào)制紅外信號以及接收反射光強變化達成路徑檢測，和直流驅(qū)動方式相比較而言，其交流調(diào)制特性可有效地抑制環(huán)境光干擾，讓系統(tǒng)抗干擾能力得到提升，該傳感器作為視覺感知單元，可以準確識別黑色引導線，還會輸出對應(yīng)的高低電平信號到主控系統(tǒng)。依據(jù)這個信號輸入，微控制器經(jīng)由算法處理生成PWM控制指令，調(diào)節(jié)雙直流電機驅(qū)動模塊的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，最終達成移動平臺沿著預(yù)定軌跡的自主循跡功能。L298N驅(qū)動模塊：運用L298N全橋驅(qū)動芯片搭建電機驅(qū)動模塊，此芯片擁有高壓大電流特性以及高頻響應(yīng)能力，可達成對兩路直流電機的獨立控制，該芯片設(shè)計有靈活的控制使能端，支持外部電平信號控制，又可借助單片機達成軟件調(diào)控，L298N呈現(xiàn)出良好的驅(qū)動性能，其輸出電壓和功率會依據(jù)輸入電壓的變化進行動態(tài)調(diào)節(jié)。直流電機：選用雙直流電動機當作驅(qū)動裝置，和異步電動機相比較而言，直流電動機的控制方式比較簡便，只要借助兩條控制線施加合適的電壓就能達成電機運轉(zhuǎn)，實驗結(jié)果顯示，在額定工作電壓范圍之內(nèi)，直流電機的轉(zhuǎn)速跟輸入電壓呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，也就是說隨著電壓升高，電機轉(zhuǎn)速會相應(yīng)提高。電源模塊：選用12V蓄電池當作供電單元，借助7805三端穩(wěn)壓器達成電壓穩(wěn)定輸出，同時配備由0.1μF與470μF電容構(gòu)成的兩級濾波電路來消除電源噪聲。5.2循跡傳感器原理循跡傳感器的工作機制可這樣解析：TC端口作為控制端，它的電平狀態(tài)直接決定著傳感器的工作模式，當施加高電平時，發(fā)光二極管處于非激活狀態(tài)，傳感器進入休眠狀態(tài)，相反，當施加低電平時，傳感器則會被觸發(fā)啟動，檢測信號依靠Signal端口輸出，其工作原理是基于紅外反射的差異：黑線區(qū)域由于吸收了大量紅外線，導致反射強度降低，此時光敏三極管處于截止狀態(tài)，Signal端呈現(xiàn)高電平輸出，而白線區(qū)域因為有高反射率，促使光敏三極管導通，使得Signal端產(chǎn)生低電平信號。本研究運用的紅外探測技術(shù)是依據(jù)不同顏色表面特征對于紅外光波有著差異化反射特性的原理，借助實時采集貨車在行駛進程中地面所反射的紅外光譜信號來達成目標識別的目的。依據(jù)紅外光學檢測原理，當入射光線照射到白色路徑表面的時候，會出現(xiàn)漫反射現(xiàn)象，這個時候安裝在運輸載具上面的光電接收裝置可有效地捕捉反射信號，相反當光線投射到黑色軌跡的時候，因為黑色材料有光吸收特性，載具搭載的接收元件就不能檢測到反射光信號，控制系統(tǒng)正是依靠這種反射光信號的有無差異來達成對軌跡位置的精確識別以及載具行進路線的實時調(diào)控。為保證檢測系統(tǒng)的可靠性，紅外傳感裝置與檢測表面之間的工作距離應(yīng)當控制在15厘米的有效范圍之內(nèi)。本研究運用可調(diào)式紅外傳感系統(tǒng)來達成精準循跡功能，該系統(tǒng)可選擇分立式紅外發(fā)射接收裝置，也可采用集成化紅外探頭方案，在關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置這一方面，經(jīng)過實驗驗證，當左右傳感器的間距和預(yù)設(shè)黑線寬度相匹配的時候，系統(tǒng)可以得到最佳檢測性能，該傳感器設(shè)有靈敏度調(diào)節(jié)機構(gòu)，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻阻值可有效解決黑線檢測失效問題，具體情形是：適當增大或減小電阻值分別可實現(xiàn)靈敏度的提升或降低。在空間布局中，所有循跡傳感器都依據(jù)緊貼黑線外側(cè)邊緣的原則來安裝配置。完成單片機程序燒錄后，系統(tǒng)便可執(zhí)行循跡控制指令，貨車前行時若向左偏離預(yù)設(shè)黑線，右側(cè)光電傳感器會輸出高電平信號，單片機實時檢測此信號并作出判斷，控制貨車向右轉(zhuǎn)向來修正軌跡，兩側(cè)傳感器都輸出低電平信號時，系統(tǒng)維持貨車前進狀態(tài)，反之貨車若向右偏離黑線，左側(cè)傳感器產(chǎn)生高電平信號，單片機依此控制貨車向左轉(zhuǎn)向。這種閉環(huán)控制機制保證貨車始終能精確跟蹤預(yù)設(shè)軌跡，兩側(cè)傳感器同時檢測到高電平信號時，系統(tǒng)判定為直線行駛狀態(tài)，此時貨車保持直線前進運動模式。光電傳感器實現(xiàn)循跡的基本電路如5.2所示：圖5.3循跡傳感器電路圖Fig.5.3Circuitdiagramoftrackingsensor5.3循跡電路設(shè)計本研究運用的環(huán)境適應(yīng)性良好的循跡光電傳感器配備了成對的紅外發(fā)射裝置與接收裝置，其工作原理是發(fā)射管持續(xù)發(fā)射特定頻率的紅外光束，當探測到黑色軌跡時，因光吸收效應(yīng)使得反射信號缺失，經(jīng)比較電路處理后觸發(fā)綠色指示燈亮起，信號輸出端口會停止數(shù)字信號的傳輸。轉(zhuǎn)動電位器的旋鈕可實現(xiàn)對檢測靈敏度的精確調(diào)整，這款紅外傳感器的有效探測距離在2厘米至30厘米的范圍之內(nèi)，有抗干擾性能出色以及安裝方便等優(yōu)勢，在智能避障和路徑循跡等應(yīng)用場景里有廣泛的部署。紅外模塊電路原理如圖5.4所示，圖中的10K限流電阻，其不同性能對紅外發(fā)射功率起著決定作用，限流電阻越小，紅外發(fā)射功率越大，當光反射回來時三極管導通，LM393有兩個輸入端，同相輸入端用“+”表示，反相輸入端用“-”表示，它用于比較兩個電壓，在任一個輸入端加上一個固定電壓作為參考電壓，另一端加上需要比較的電壓。當反相輸入電壓低于同相輸入電壓時，輸出處于截止狀態(tài)，否則輸出端會飽和，輸出接地，只要LM393的兩個輸入電壓差大于10mv，就能保證輸出從當前狀態(tài)可靠轉(zhuǎn)換到另一狀態(tài)，使用比較器無需AD轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)過LM393后在主控芯片控制端口產(chǎn)生高電平，以此完成檢測工作，模塊的靈敏度可依靠變阻器VR1進行調(diào)整。圖5.4紅外模塊電路原理圖Fig.5.4Schematicdiagramofinfraredmodulecircuit5.4貨車運動邏輯以電機A的驅(qū)動機制當作例子，它的控制邏輯可這樣表述：當使能信號端ENA處在高電平狀態(tài)的時候，如果輸入引腳IN1呈現(xiàn)出低電平，而IN2是高電平，那么電機就會執(zhí)行反轉(zhuǎn)的操作，相反的，如果IN1是高電平，并且IN2是低電平，那么電機就會實現(xiàn)正轉(zhuǎn)的運行。貨車運動邏輯如下表所示：表5.1貨車運動邏輯Tab.5.1Vehiclemotionlogic使能端A使能端B左電機右電機左電機

運行狀態(tài)右電機

運行狀態(tài)貨車

運行狀態(tài)IN1IN2IN3IN4111010正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)前行111001正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)111011正轉(zhuǎn)停止以右電機為中心原地右轉(zhuǎn)110110反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)110101反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)后退111110停止正轉(zhuǎn)以左電機為中心原地左轉(zhuǎn)5.5本章小結(jié)本章介紹了尋跡模塊的詳細設(shè)計過程。在本系統(tǒng)硬件調(diào)試的過程中，可以正確的實現(xiàn)貨車的尋跡，完成了貨車初步智能化的硬件保證。6系統(tǒng)總體調(diào)試6.1避障功能調(diào)試避障過程如圖：接上電源，貨車開始啟動，在沒有障礙的路段上，正常行駛，如圖6.2所示：圖6.2避障貨車圖Fig.6.2Obstacleavoidancetruckdiagram當前方障礙物被檢測到的時候，系統(tǒng)會對與單片機相連的四個動作控制IO口的電平信號變化展開掃描，只要識別到特定的電平出現(xiàn)跳變，便會利用定時器來生成PWM波形，該波形經(jīng)過298N驅(qū)動芯片來控制電機執(zhí)行相應(yīng)的動作，并且會同步更新液晶屏上的狀態(tài)顯示，超聲波測距模塊會持續(xù)監(jiān)測障礙物的距離，當檢測到的距離低于安全閾值時，系統(tǒng)會啟動避障程序，讓貨車偏離定的行駛軌跡，如圖6.3（a）（b）所示：圖6.3（a）避障貨車圖Fig.6.3（a）Obstacleavoidancetruckdiagram圖6.3（b）避障貨車圖Fig.6.3（b）Obstacleavoidancetruckdiagram在避障完成后，貨車繼續(xù)按照原來設(shè)定的軌跡正常行駛，如圖6.4（a）（b）所示：圖6.4（a）避障貨車圖Fig.6.4（a）Obstacleavoidancetruckdiagram圖6.4（b）避障貨車圖Fig.6.4（b）Obstacleavoidancetruckdiagram6.2循跡過程調(diào)試（1）循跡功能處理流程：反射式光電傳感器的循跡控制機制可這樣描述：系統(tǒng)會檢測白色背景環(huán)境里黑色軌跡線的光學反射特性，借助光電傳感器接收到的反射光強信號的差異，實時解析出貨運車輛應(yīng)該遵循的行駛路徑方向。為了清晰地闡述循線檢測的基本原理，現(xiàn)選取由三組反射式光電傳感器所構(gòu)成的檢測系統(tǒng)作為例子來展開相關(guān)分析，光電傳感器與黑線位置關(guān)系示意圖如圖6.5所示：圖6.5光電傳感器與黑線位置關(guān)系示意圖Fig.6.5Schematicdiagramoftherelationshipbetweenphotoelectricsensorandblacklineposition依靠對輸入端口檢測值展開周期性監(jiān)測，系統(tǒng)得以實時辨別當前巡線軌跡的準確方位，隨后借助調(diào)節(jié)電機輸出參數(shù)，精準控制貨車的轉(zhuǎn)向和直行動作，其中轉(zhuǎn)向動作覆蓋左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，直行動作包含直線行駛等運動模式。（1）循跡貨車實物及循跡路線如圖：圖6.6循跡貨車路線圖Fig.6.6TrailingTruckRouteMap將貨車置于起始位，借助STC89C52微控制器的IO端口朝著L298N驅(qū)動模塊發(fā)送控制信號，以此來調(diào)節(jié)雙直流電機的運行參數(shù)，最終達成貨車的自動循跡功能，貨車啟動如圖：圖6.7循跡貨車圖Fig.6.7Trackingtruckmap（2）循跡過程如圖：依據(jù)紅外光譜于不同顏色表面呈現(xiàn)出的有差異反射特性，借助實時接收地面反射的紅光信號達成路徑識別，當貨車行駛期間紅外傳感器碰到黑色軌跡時，鑒于黑色材料對紅外波段電磁波有強吸收特性，車載接收裝置就無法檢測到反射信號。控制系統(tǒng)憑借實時監(jiān)測紅外接收管的信號狀態(tài)，精準判斷黑色軌跡的空間位置，并依照此生成貨車行駛路徑的修正指令，最終引導貨車達到1號位置：圖6.7（a）循跡貨車圖Fig.6.7（a）Trackingtruckmap運行過程中，根據(jù)超聲波接收到的信號按照設(shè)定的路線進行自動循跡,到達2號位和3號位：圖6.7（b）循跡貨車圖Fig.6.7（b）Trackingtruckmap圖6.7（c）循跡貨車圖Fig.6.7（c）Trackingtruckmap運行結(jié)束后中，按照循跡路線返回起始點，循跡結(jié)束：圖6.7（d）循跡貨車圖Fig.6.7（d）Trackingtruckmap循跡結(jié)束后，根據(jù)系統(tǒng)下發(fā)的指令，控制貨車重新開始循跡。6.3總體過程調(diào)試貨車根據(jù)超聲波接收到的信號按照設(shè)定的路線進行循跡，前方遇到障礙物時，及時減速，主控芯片向電機驅(qū)動模塊發(fā)送相應(yīng)指令。電機驅(qū)動模塊根據(jù)指令調(diào)整電機的供電參數(shù)，通過改變PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號的占空比來降低電機轉(zhuǎn)速，及時躲避障礙物。貨車總體調(diào)試過程如圖：圖6.8（a）總體調(diào)試過程圖Fig.6.8（a）Overalldebuggingprocessdiagram圖6.8（b）總體調(diào)試過程圖Fig.6.8（b）Overalldebuggingprocessdiagram當貨車選擇轉(zhuǎn)向避障，主控芯片根據(jù)障礙物位置和貨車行駛方向，計算出合適的轉(zhuǎn)向角度和速度，通過控制貨車舵機的轉(zhuǎn)動角度來調(diào)整車輪轉(zhuǎn)向方向，實現(xiàn)避讓動作。在避障過程中，借助閉環(huán)控制算法對車輛轉(zhuǎn)向角度以及行駛速度參數(shù)展開動態(tài)調(diào)節(jié)，以此在保障安全性的條件下達成對障礙物的有效規(guī)避，并在避開后能夠順利恢復正常行駛狀態(tài)，貨車行駛過程如圖6.9所示：圖6.9（a）貨車行駛過程圖Fig.6.9（a）Truckdrivingprocessdiagram圖6.9（b）貨車行駛過程圖Fig.6.9（b）Truckdrivingprocessdiagram圖6.9（c）貨車行駛過程圖Fig.6.9（c）Truckdrivingprocessdiagram圖6.9（d）貨車行駛過程圖Fig.6.9（d）Truckdrivingprocessdiagram避障動作完成后，控制器會根據(jù)是否接收到反射的紅外光為判斷依據(jù)來確定的黑線的位置和貨車的路線貨車通過中間傳感器檢測預(yù)定軌跡，結(jié)合控制算法驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)調(diào)整貨車的運動方向，使貨車按照原來路線繼續(xù)行駛，完成循跡。6.4存在的問題與改進在系統(tǒng)調(diào)試過程中主要遇到的問題如下：在測試期間發(fā)現(xiàn)小車碰到黑線時電機出現(xiàn)不動的情況：解決方案：運用試測儀來對電路展開測試，查看是不是存在漏焊、虛焊或者電子元件損壞的問題，要是沒有損壞，接著檢查電路圖有沒有不合理之處。輸入程序之后，貨車循跡出現(xiàn)不靈敏的狀況，在拐彎度數(shù)過大以及貨車速度過快時，貨車偶爾會偏離軌道：解決方案：調(diào)節(jié)傳感器上的可調(diào)電阻，適當增大或減小電阻可改變靈敏度，以此解決循跡不迅速的問題，同時依據(jù)數(shù)碼管來對貨車的速度加以控制。循跡響應(yīng)延遲：解決方案：借助精確調(diào)節(jié)傳感器電路中的可變電阻參數(shù)，可實現(xiàn)靈敏度的雙向調(diào)控，依據(jù)數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)對貨車行駛速度實施閉環(huán)控制，有效優(yōu)化系統(tǒng)循跡性能。6.5本章小結(jié)本章主要介紹了智能貨車的實物調(diào)試，測試了貨車的避障與循跡功能，并根據(jù)實物對無人運輸控制系統(tǒng)進行總結(jié)與調(diào)試，分析了貨車的各種功能，同時也對出現(xiàn)的問題進行思考并提出解決方案。7總結(jié)與展望7.1總結(jié)本文針對智能貨車模型進行了簡單的設(shè)計，主要實現(xiàn)了尋跡、避障等功能，用以展示智能貨車的基本原理，在此基礎(chǔ)上，可以做多種擴展設(shè)計或改動，來實現(xiàn)其它功能。本文結(jié)合無人運輸貨車的工作環(huán)境和性能要求，對運輸貨車控制系統(tǒng)進行了設(shè)計，設(shè)計中主要完成了以下工作：（1）本研究一開始就對無人運輸控制系統(tǒng)的基本架構(gòu)以及運行原理做了一番概述，緊接著著重探討了該系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案，其中覆蓋了核心組件的選型以及功能模塊的配置情況，結(jié)合總體方案及各子系統(tǒng)的設(shè)計，展現(xiàn)了無人運輸貨車的工作過程，系統(tǒng)憑借多方傳感器的協(xié)同工作，實現(xiàn)了無人運輸智能貨車的各項功能，同時通過液晶顯示出來。對硬件設(shè)計部分引入模塊化的設(shè)計思想，即根據(jù)系統(tǒng)的性能要求把硬件模塊化。無人運輸貨車系統(tǒng)的硬件模塊主要包括：控制電路模塊中單片機最小系統(tǒng)電路、程序下載接口電路、電機驅(qū)動電路藍牙遙控電路、LCD1602顯示電路等模塊，并對每個模塊進行了具體的電路設(shè)計。完成了超聲波避障的詳細設(shè)計過程。在硬件調(diào)試的過程中，可以正確的實現(xiàn)貨車的運動和避障，避免快速運行時減少額外的輔助組件。完成了尋跡模塊的詳細設(shè)計過程。在系統(tǒng)硬件調(diào)試的過程中，可以實現(xiàn)按照預(yù)定軌道貨車進行運動行駛，完成了貨車初步智能化的硬件保證。貨車保留了擴展功能。在達成定設(shè)計目標的前提下，該無人運輸貨車控制系統(tǒng)的設(shè)計架構(gòu)呈現(xiàn)出較高的簡潔特性，其電路設(shè)計并未引入多余的功能模塊，而是憑借預(yù)留完善的硬件接口以及軟件子程序接口，為系統(tǒng)后續(xù)的功能拓展以及深度開發(fā)給予了充足的兼容性與可擴展空間。借助實驗驗證可知，該系統(tǒng)的循跡功能以及避障功能已經(jīng)基本達成，雖然目前依然存在一些技術(shù)性的問題，不過從整體上來看，其可契合貨車路徑規(guī)劃的基本要求。7.2展望智能化物料運輸設(shè)備領(lǐng)域里的無人運輸貨車控制系統(tǒng)在多個工業(yè)領(lǐng)域都有了廣泛應(yīng)用，物流運輸行業(yè)的應(yīng)用最為較大，但要注意，該系統(tǒng)的關(guān)鍵核心技術(shù)目前是由國外企業(yè)主導的，國內(nèi)相關(guān)研究起步晚，能獲取的技術(shù)資料也少，本設(shè)計方案在一些方面以及優(yōu)化空間，后續(xù)研究需要在以下關(guān)鍵環(huán)節(jié)重點突破：（1）對于無人運輸貨車控制系統(tǒng)的技術(shù)深入研究，現(xiàn)有的系統(tǒng)在簡單工作環(huán)境中的運行表現(xiàn)已被證實，但是當遇到復雜環(huán)境或者強磁干擾的時候，電磁信號容易出現(xiàn)衰減甚至被噪聲淹沒的情況，系統(tǒng)設(shè)計要整合抗干擾裝置來保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。（2）本研究對系統(tǒng)功能做了多維度拓展，來構(gòu)建更有人性化特征的操作界面，并且，系統(tǒng)整合了基于多傳感器融合的智能避障控制單元，借助改進路徑規(guī)劃算法提升了避障操作的精確度和動態(tài)適應(yīng)性，達成了系統(tǒng)整體性能的提升。（3）可以在該無人運輸貨車中添加更多的有趣的功能。比如：在貨車系統(tǒng)中安裝喇叭讓貨車播放音樂等，這樣貨車更具有智能的特點，而且有更多的娛樂和學習的特性。（4）本研究呈現(xiàn)出一種用于動態(tài)環(huán)境建模的優(yōu)化辦法：當下系統(tǒng)把貨車行駛區(qū)域簡化成預(yù)設(shè)的二維數(shù)組來存儲，然而這種靜態(tài)表示形式得借助程序修改才可調(diào)整障礙物位置，為處理這一局限，考慮采用視覺采集以及圖像處理技術(shù)，借助攝像頭實時抓取作業(yè)區(qū)域圖像并轉(zhuǎn)化為矩陣表示，接著生成能動態(tài)更新的二維數(shù)組。此技術(shù)方案達成了環(huán)境數(shù)據(jù)的自動化更新，有效規(guī)避了人工干預(yù)程序參數(shù)的必要，提升了系統(tǒng)對于動態(tài)工作場景的適應(yīng)能力。參考文獻[1]袁玥.民航無人行李運輸動態(tài)車輛路徑問題研究[D].鄭州大學,2022.[2]袁銘.藍牙遙控智能小車設(shè)計[J].電子世界,2018(03):124-125.[3]\t"/reader/ZWZJ200402021"紀壽文,李克強.智能化的物流搬運機器人-AGV[J].中國物流與采購,2004(02).[4]邱廣萍.移動機器視覺定位導航和自主避障系統(tǒng)的研究[D].華南理工大學,2011.[5]馬業(yè)驥.多無人車多無人機協(xié)同運輸路徑規(guī)劃算法研究[D].哈爾濱工業(yè)大學,2020.[6]王新茹.無人物料運輸系統(tǒng)控制器的設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安工業(yè)大學,2012.[7]王梅,丁凰,張媛.基于STM32嵌入式系統(tǒng)的無人物流車運輸控制系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制,2020.[8]趙克利,孔德文.無人搬運車的新技術(shù)及瑞典和美國產(chǎn)品情況[J].起重運輸機械,2000(08).[9]\t"/reader/BJKD199902028"郭峰,袁星軍,余達太,原魁.自動導引車系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].北京科技大學學報,1999(02).[10]熊亮,王洪艷,王梁,等.多種信號采集的聲光智能小車研究[J].電子世界,2012,(19):33.[11]曹國浩.無人駕駛智能車遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[D].西安工業(yè)大學,2016.[12]石昌景,劉光,葛繼平等.露天礦山運輸車輛無人駕駛系統(tǒng)研究[J].價值工程,2024,43(25).[13]

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